工信部發(fā)布智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南

近日，工信部正式下發(fā)《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南(2017-2019)》(簡稱“指南”)。為了貫徹中國制造2025等戰(zhàn)略，工信部于2016年4月啟動了該指南的編制工作，于2017年11月20日正式印發(fā)。

《指南》提出總體目標，規(guī)劃到2019年實現(xiàn)傳感器產(chǎn)業(yè)取得明顯突破，智能傳感器產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到260億元，其中主營業(yè)務(wù)超過10億元的企業(yè)達到5家，超過1億元的企業(yè)實現(xiàn)20家。微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝生產(chǎn)線產(chǎn)能穩(wěn)步增長。

什么是智能傳感器?

作為人類獲取信息的工具，傳感器是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要組成部分。傳統(tǒng)意義上的傳感器輸出的多是模擬量信號，本身不具備信號處理和組網(wǎng)功能，需連接到特定測量儀表才能完成信號的處理和傳輸功能。智能傳感器能在內(nèi)部實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的加工處理，并且可以通過標準的接口與外界實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，以及根據(jù)實際的需要通過軟件控制改變傳感器的工作，從而實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。由于使用標準總線接口，智能傳感器具有良好的開放性、擴展性，給系統(tǒng)的擴充帶來了很大的發(fā)展空間。

智能傳感器概念最早由美國宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中提出來，并于1979年形成產(chǎn)品。宇宙飛船上需要大量的傳感器不斷向地面或飛船上的處理器發(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，即便使用一臺大型計算機也很難同時處理如此龐大的數(shù)據(jù)。何況飛船又限制計算機體積和重量，因此希望傳感器本身具有信息處理功能，于是將傳感器與微處理器結(jié)合，就出現(xiàn)了智能傳感器。

智能傳感器是一種能夠?qū)Ρ粶y對象的某一信息具有感受、檢出的功能;能學(xué)習(xí)、推理判斷處理信號;并具有通信及管理功能的一類新型傳感器。智能傳感器有自動校零、標定、補償、采集數(shù)據(jù)等能力。其能力決定了智能化傳感器還具有較高的精度和分辨率，較高的穩(wěn)定性及可靠性，較好的適應(yīng)性，相比于傳統(tǒng)傳感器還具有非常高的性價比。

早期的智能傳感器是將傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機進行運算處理。80年代智能傳感器主要以微處理器為核心，把傳感器信號調(diào)節(jié)電路、微電子計算機存貯器及接口電路集成到一塊芯片上，使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測量技術(shù)有了進一步的提高，使傳感器實現(xiàn)了微型化、結(jié)構(gòu)一體化、陣列式、數(shù)字式，使用方便、操作簡單，并具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數(shù)據(jù)存貯功能、多參量測量功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能、邏輯思維以及判斷功能。

智能傳感器大體上可以分三種類型：

●即具有判斷能力的傳感器;

●具有學(xué)習(xí)能力的傳感器;

●具有創(chuàng)造能力的傳感器。

智能傳感器的結(jié)構(gòu)組成

智能傳感器系統(tǒng)主要由傳感器、微處理器及相關(guān)電路組成。傳感器將被測的物理量、化學(xué)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，送到信號調(diào)制電路中，經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后送達微處理器。

微處理器對接收的信號進行計算、存儲、數(shù)據(jù)分析處理后，一方面通過反饋回路對傳感器與信號調(diào)理電路進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對測量過程的調(diào)節(jié)和控制;另一方面將處理的結(jié)果傳送到輸出接口，經(jīng)接口電路處理后按輸出格式、界面定制輸出數(shù)字化的測量結(jié)果。微處理器是智能傳感器的核心，由于微處理器充分發(fā)揮各種軟件的功能，使傳感器智能化，大大提高了傳感器的性能。

智能傳感器的特點：

●精度高

智能傳感器可通過自動校零去除零點，與標準參考基準實時對比自動進行整體系統(tǒng)標定、非線性等系統(tǒng)誤差的校正，實時采集大量數(shù)據(jù)進行分析處理，消除偶然誤差影響，保證智能傳感器的高精度。

●高可靠性與高穩(wěn)定性

智能傳感器能自動補償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化而引起的系統(tǒng)特性的漂移，如環(huán)境溫度、系統(tǒng)供電電壓波動而產(chǎn)生的零點和靈敏度的漂移;在被測參數(shù)變化后能自動變換量程，實時進行系統(tǒng)自我檢驗、分析、判斷所采集數(shù)據(jù)的合理性，并自動進行異常情況的應(yīng)急處理。

●高信噪比與高分辨力

由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能，通過數(shù)字濾波等相關(guān)分析處理，可去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，自動提取有用數(shù)據(jù);通過數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響。

●強自適應(yīng)性

智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分的供電情況、與高/上位計算機的數(shù)據(jù)傳輸速率，使系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)并優(yōu)化傳輸效率。

●較高的性能價格比

智能傳感器具有的高性能，不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)那樣通過追求傳感器本身的完善、對傳感器的各個環(huán)節(jié)進行精心設(shè)計與調(diào)試、進行“手工藝品”式的精雕細琢來獲得的，而是通過與微處理器/微計算機相結(jié)合，采用廉價的集成電路工藝和芯片以及強大的軟件來實現(xiàn)的，所以具有較高的性能價格比。

智能傳感器的主要功能

智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動作，結(jié)合長期以來測試技術(shù)的研究和實際經(jīng)驗而提出來的。是一個相對獨立的智能單元，它的出現(xiàn)對原來硬件性能的苛刻要求有所減輕，而靠軟件幫助來使傳感器的性能大幅度提高。

智能傳感器通常可以實現(xiàn)以下功能

1、復(fù)合敏感功能

我們觀察周圍的自然現(xiàn)象，常見的信號有聲、光、電、熱、力和化學(xué)等。敏感元件測量一般通過兩種方式：直接和間接的測量。而智能傳感器具有復(fù)合功能，能夠同時測量多種物理量和化學(xué)量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運動規(guī)律的信息。如美國加利弗尼亞大學(xué)研制的復(fù)合液體傳感器，可同時測量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度。美國EG&GIC Sensors公司研制的復(fù)合力學(xué)傳感器，可同時測量物體某一點的三維振動加速度、速度、位移等。

2、自適應(yīng)功能

智能傳感器可在條件變化的情況下，在一定范圍內(nèi)使自己的特性自動適應(yīng)這種變化。通過采用自適應(yīng)技術(shù)，由于它能補償老化部件引起的參數(shù)漂移，所以自適應(yīng)技術(shù)可延長器件或裝置的壽命。同時也擴大其工作領(lǐng)域，因為它能自動適應(yīng)不同的環(huán)境條件。自適應(yīng)技術(shù)提高了傳感器的重復(fù)性和準確度。因為其校正和補償數(shù)值已不再是一個平均值，而是測量點的真實修正值。

3、自檢、自校、自診斷功能

普通傳感器需要定期檢驗和標定，以保證它在正常使用時足夠的準確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場拆卸送到實驗室或檢驗部門進行，對于在線測量傳感器出現(xiàn)異常則不能及時診斷。采用智能傳感器時，情況則大有改觀。首先是，自診斷功能在電源接通時進行自檢，診斷測試以確定組件有無故障。其次，根據(jù)使用時間可以在線進行校正，微處理器利用存在E2PROM內(nèi)的計量特性數(shù)據(jù)進行對比校對。

4、信息存儲功能

信息往往是成功的關(guān)鍵.智能傳感器可以存儲大量的信息，用戶可隨時查詢。這些信息可包括裝置的歷史信息。例如，傳感器已工作多少小時，更換多少次電源等等;也包括傳感器的全部數(shù)據(jù)和圖表，還包括組態(tài)選擇說明等。此外還包括串行數(shù)、生產(chǎn)日期、目錄表和最終出廠測試結(jié)果等。內(nèi)容可以無限，只受智能傳感器本身存儲容量的限制。智能傳感器除了增加過程數(shù)據(jù)處理、自診斷、組態(tài)和信息存儲四個方面的功能外，還提供了數(shù)字通訊能力和自適應(yīng)能力。

5、數(shù)據(jù)處理功能

過程數(shù)據(jù)處理是一項非常重要的任務(wù)，智能傳感器本身提供了該功能。智能傳感器不但能放大信號，而且能使信號數(shù)字化，再用軟件實現(xiàn)信號調(diào)節(jié)。通常，基本的傳感器不能給出線性信號，而過程控制卻把線性度作為重要的追求目標。

智能傳感器通過查表方式可使非線性信號線性化。當然對每個傳感器要單獨編制這種數(shù)據(jù)表。智能傳感器過程數(shù)據(jù)處理的另一個例子是通過數(shù)字濾波器對數(shù)字信號濾波，從而可減少噪聲或其它相關(guān)效應(yīng)的干擾。而且用軟件研制復(fù)雜的濾波器要比用分立電子電路容易得多。

環(huán)境因素補償也是數(shù)據(jù)處理的一項重要任務(wù)。微控制器能幫助提高信號檢測的精確度。例如，通過測量基本檢測元件的溫度可獲得正確的溫度補償系數(shù)，從而可實現(xiàn)對信號的溫度補償。用軟件也能實現(xiàn)非線性補償和其它更復(fù)雜的補償。這是因為查詢表幾乎能產(chǎn)生任意形狀的曲線。有時必須測量和處理幾個不同的物理量，這樣將給出各自的數(shù)據(jù)。

智能傳感器的徽控制器使用戶很容易實現(xiàn)多個信號的加、減、乘、除運算。在過程數(shù)據(jù)處理方面，智能傳感器可以大顯身手。

此外，它把這些操作從中心控制室下放到接近信號產(chǎn)生點也是大有好處的。其一是因為把附加信號發(fā)送到控制室花費很大，而用智能傳感器就省去了附加傳感器和引線的成本。其二是由于附加信息是在信息的應(yīng)用點檢測到的，這樣就大大降低了長距離傳輸引入的負效應(yīng)(如噪聲、電位差等)，從而使信號更準確。其三是可以簡化主控制器中的軟件，提高控制環(huán)的速度。

6、組態(tài)功能

智能傳感器的另一個主要特性是組態(tài)功能。信號應(yīng)該放大多少倍?溫度傳感器是以攝氏度還是華氏度輸出溫度?對于智能傳感器用戶可隨意選擇需要的組態(tài)。例如，檢測范圍，可編程通/斷延時，選組計數(shù)器，常開/常閉，8/12位分辨率選擇等。

這只不過是當今智能傳感器無數(shù)組態(tài)中的幾種。靈活的組態(tài)功能大大減少了用戶需要研制和更換必備的不同傳感器類型和數(shù)目。利用智能傳感器的組態(tài)功能可使同一類型的傳感器工作在最佳狀態(tài)，并且能在不同場合從事不同的工作。

7、數(shù)字通訊功能

如上所述，由于智能傳感器能產(chǎn)生大量信息和數(shù)據(jù)，所以用普通傳感器的單一連線無法對裝置的數(shù)據(jù)提供必要的輸入輸出。但也不能對應(yīng)每個信息各用一根引線，因為這樣會使系統(tǒng)非常龐雜。因此它需要一種靈活的串行通訊系統(tǒng)。在過程工業(yè)中，通?？吹降氖屈c與點串接以及串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，如今的大趨勢是朝串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。

因為智能傳感器本身帶有微控制器，所以它自屬于數(shù)字式的，因此自然能配置與外部連接的數(shù)字串行通訊。因為串行網(wǎng)絡(luò)抗環(huán)境影響(如電磁干擾)的能力比普通模擬信號強得多。把串行通訊配接到裝置上，可以有效地管理信息的傳輸，使數(shù)據(jù)只在需要時才輸出。

智能傳感器的實現(xiàn)途徑

目前，智能傳感器的實現(xiàn)是沿著傳感器技術(shù)發(fā)展的三條途徑進行：

a、利用計算機合成，即智能合成;

b、利用特殊功能材料，即智能材料;

c、利用功能化幾何結(jié)構(gòu)，即智能結(jié)構(gòu)。智能合成表現(xiàn)為傳感器裝置與微處理器的結(jié)合，這是目前的主要途徑。

按傳感器與計算機的合成方式，目前的傳感技術(shù)沿用以下三種具體方式實現(xiàn)智能傳感器。

1、非集成化的模塊方式

非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的基本傳感器、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一個整體而構(gòu)成的智能傳感器系統(tǒng)。這種非集成化智能傳感器是在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)發(fā)展形勢的推動下迅速發(fā)展起來的。

自動化儀表生產(chǎn)廠家原有的一套生產(chǎn)工藝設(shè)備基本不變， 附加一塊帶數(shù)字總線接口的微處理器插板組裝而成， 并配備能進行通信、控制、自校正、自補償、自診斷等智能化軟件， 從而實現(xiàn)智能傳感器功能。這是一種最經(jīng)濟、最快速建立智能傳感器的途徑。

2、集成化實現(xiàn)

這種智能傳感器系統(tǒng)是采用微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)， 利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號調(diào)理電路以及微處理器單元， 并把它們集成在一塊芯片上構(gòu)成的。集成化實現(xiàn)使智能傳感器達到了微型化、結(jié)構(gòu)一體化， 從而提高了精度和穩(wěn)定性。敏感元件構(gòu)成陣列后， 配合相應(yīng)圖像處理軟件， 可以實現(xiàn)圖形成像且構(gòu)成多維圖像傳感器， 這時的智能傳感器就達到了它的最高級形式。

3、混合實現(xiàn)

要在一塊芯片上實現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)存在著許多棘手的難題。根據(jù)需要與可能， 可將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)(如敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口) 以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上， 并裝在一個外殼里。

智能傳感器技術(shù)發(fā)展及趨勢

1、向高精度發(fā)展

隨著自動化生產(chǎn)程度的提高，對傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動化的可靠性。

2、向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展

傳感器的可靠性直接影響到電子設(shè)備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。發(fā)展新興材料( 如陶瓷) 傳感器將很有前途。

3、向微型化發(fā)展

各種控制儀器設(shè)備的功能越來越強，要求各個部件體積越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發(fā)展新的材料及加工技術(shù)，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經(jīng)很小。如傳統(tǒng)的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩(wěn)定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細加工技術(shù)制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。

4、向微功耗及無源化發(fā)展

傳感器一般都是非電量向電量的轉(zhuǎn)化，工作時離不開電源，在野外現(xiàn)場或遠離電網(wǎng)的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發(fā)微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發(fā)展方向，這樣既可以節(jié)省能源又可以提高系統(tǒng)壽命。目前，低功耗損的芯片發(fā)展很快，如T12702 運算放大器， 靜態(tài)功耗只有1.5 A， 而工作電壓只需2~ 5V。

5、向智能化數(shù)字化發(fā)展

隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是單一的模擬信號( 如0~ 10mV) ， 而是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號， 有的甚至帶有控制功能， 這就是所說的數(shù)字傳感器。

6、向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

網(wǎng)絡(luò)化是傳感器發(fā)展的一個重要方向，網(wǎng)絡(luò)的作用和優(yōu)勢正逐步顯現(xiàn)出來。網(wǎng)絡(luò)傳感器必將促進電子科技的發(fā)展。

發(fā)展重點

1、應(yīng)用機器智能的故障探測和預(yù)報。任何系統(tǒng)在出現(xiàn)錯誤并導(dǎo)致嚴重后果之前，必須對其可能出現(xiàn)的問題作出探測或預(yù)報。目前非正常狀態(tài)還沒有準確定義的模型，非正常探測技術(shù)還很欠缺，急需將傳感信息與知識結(jié)合起來以改進機器的智能。

2、正常狀態(tài)下能高精度、高敏感性地感知目標的物理參數(shù);而在非常態(tài)和誤動作的探測方面卻進展甚微。因而對故障的探測和預(yù)測具有迫切需求，應(yīng)大力開發(fā)與應(yīng)用。

3、目前傳感技術(shù)能在單點上準確地傳感物理或化學(xué)量，然而對多維狀態(tài)的傳感卻困難。如環(huán)境測量，其特征參數(shù)廣泛分布且具有時空方面的相關(guān)性，也是迫切需要解決的一類難題。因此，要加強多維狀態(tài)傳感的研究與開發(fā)。

4、目標成分分析的遠程傳感?；瘜W(xué)成分分析大多在基于樣本物質(zhì)，有時目標材料的采樣又很困難。如測量同溫層中臭氧含量，遠程傳感不可缺少，光譜測定與雷達或激光探測技術(shù)的結(jié)合是一種可能的途徑。沒有樣本成分的分析很容易受到傳感系統(tǒng)和目標組分之間的各種噪音或介質(zhì)的干擾，而傳感系統(tǒng)的機器智能有望解決該問題。

5、用于資源有效循環(huán)的傳感器智能。現(xiàn)代制造系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了從原材料到產(chǎn)品的高效的自動化生產(chǎn)過程，當產(chǎn)品不再使用或被遺棄時，循環(huán)過程既非有效，也非自動化。如果再生資源的循環(huán)能夠有效且自動地進行，可有效地防止環(huán)境的污染和能源緊缺，實現(xiàn)生命循環(huán)資源的管理。對一個自動化的高效循環(huán)過程，利用機器智能去分辨目標成分或某些確定的組分，是智能傳感系統(tǒng)一個非常重要的任務(wù)。

研究熱點

1、 物理轉(zhuǎn)換機理的研究

數(shù)字化輸出是智能傳感器的典型特征之一，它不僅僅是模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換實現(xiàn)簡單的數(shù)字化，而是從機理上實現(xiàn)數(shù)字化輸出。其中，諧振式傳感器具有直接數(shù)字輸出、高穩(wěn)定性、高重復(fù)性、抗干擾能力強，分辨力和測量精度高等優(yōu)點。傳統(tǒng)寫真式傳感器的頻率信號檢測需要較復(fù)雜的設(shè)計，這限制了其的廣泛應(yīng)用和在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展。而現(xiàn)在只需在同一硅片上集成智能檢測電路，就可以迅速提取頻率信號從而使諧振式微機械傳感器成為國際上傳感器的研究熱點。

2、 多數(shù)據(jù)融合的研究

數(shù)據(jù)融合是一種數(shù)據(jù)綜合和處理技術(shù)，是許多傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)的集成和應(yīng)用，如通信、模式識別、決策論、不確定性理論、信號處理、估計理論、最優(yōu)化處理、計算機科學(xué)、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。目前，數(shù)據(jù)融合已成為集成智能傳感器理論的重要領(lǐng)域和研究熱點。即，對多個傳感器或多源信息進行綜合處理、評估，從而得到更為準確、可靠的結(jié)論。

因此，對于多個傳感器組成的陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個傳感器的特點，利用其互補性、冗余性，提高測量信息的精度和可靠性，延長系統(tǒng)的使用壽命。近年來，數(shù)據(jù)融合又引入了遺傳算法、小波分析技術(shù)和虛擬技術(shù)。

智能傳感器代表著傳感器發(fā)展總趨勢， 它已經(jīng)受到了全世界范圍的矚目和公認，因此，可以說智能傳感器是一種發(fā)展前景十分看好的新傳感器。今后， 隨著硅微細加工技術(shù)的發(fā)展，新一代的智能傳感器的功能將會更加增多。它將利用人工神經(jīng)網(wǎng)、人工智能、信息處理技術(shù)等，使傳感器具有更高級的智能功能，同時， 它還將朝著微傳感器、微執(zhí)行器和微處理器三位一體構(gòu)成一個微系統(tǒng)的方向發(fā)展。